水力沖孔鉆孔合理抽采時間研究

2018-04-25 07:29:24陶云奇

中國煤炭 2018年3期

李鋒馬耕陶云奇

(河南能源化工集團研究總院有限公司，河南省鄭州市，450046)

目前，水力沖孔卸壓增透技術已經得到了較為廣泛的應用，并取得了明顯的區域性消突效果。水力沖孔對煤層卸壓增透的作用主要體現在：水力沖孔利用高壓水射流沖出大量煤與瓦斯，釋放煤體的突出潛能和瓦斯內能；沖孔過程中，高壓水濕潤煤體，增加了煤的流變性，降低了煤體內部的應力集中，進一步消除其突出危險性；高壓水進入煤體裂隙，促進煤層裂隙的擴張和發育，增加了煤層的透氣性，使得水力沖孔的瓦斯抽采半徑要比一般的鉆孔大得多，從而增加了瓦斯抽采量，增大了煤層中卸壓增透的范圍。

在水力沖孔卸壓增透技術中，瓦斯抽采是水力沖孔卸壓增透的目的。國內外學者針對水力沖孔的孔洞、水力沖孔卸壓半徑、水力沖孔后瓦斯排放的機理進行了深入研究，但針對水力沖孔后的合理抽采時間研究相對較少，因此，深入研究水力沖孔后瓦斯抽采時間對鉆孔設計施工以及煤礦巷道工程部署有著十分重要的意義。

本文通過在中馬村礦現場試驗考察水力沖孔不同時期的瓦斯抽采情況，綜合理論分析和現場數據，并結合數值分析研究水力沖孔后的最佳瓦斯抽采時間，為進一步推廣水力沖孔技術提供參考。

1 水力沖孔鉆孔合理抽采時間

通過分析水力沖孔后鉆孔瓦斯抽采情況，建立水力沖孔鉆孔瓦斯累計抽采量和抽采時間的模型關系，推導出水力沖孔后抽采半徑隨抽采時間變化的方程，然后通過考察水力沖孔后不同抽采時間段的鉆孔瓦斯抽采量，擬合計算出不同出煤量的累計抽采量和抽采半徑隨抽采時間的方程，推算出不同時間段鉆孔的累計抽采量和有效抽采半徑，從而確定合理的抽采時間。

1.1 累計抽采量與抽采時間的關系

為了建立水力沖孔后鉆孔抽采量與抽采時間的數學模型，假定水力沖孔后煤層原始瓦斯壓力在鉆孔周圍均勻分布，且鉆孔周圍瓦斯流動服從徑向流動規律，瓦斯在煤層中的流動符合菲克擴散定律，在大孔和裂隙中的流動符合達西滲透定律。因此，鉆孔周圍的瓦斯徑向流動是以菲克擴散定律和達西滲透定律為基礎導出的聯立方程，在滲流力學中，經過坐標變換，可以得到瓦斯一維徑向流動的非穩定滲流微分方程：

(1)

式中：P——煤層中氣體壓力，MPa；

λ——煤層透氣性系數，m2/(Pa2·s)；

r——徑向流場的半徑，m；

r1——鉆孔半徑，m；

r2——抽采半徑，m；

P1——鉆孔內瓦斯壓力，MPa；

t——抽采時間，d；

P0——初始瓦斯壓力，MPa。

采用數值計算求得近似解，并經實際數據統計分析，鉆孔瓦斯抽采量與時間的關系近似符合以e為底的指數函數規律。實際應用中，任意時刻每米鉆孔瓦斯抽采量Q與時間t的關系：

Q=Q0e-at

(2)

式中：Q——任意時刻鉆孔瓦斯抽采量，m3/d；

Q0——鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/d；

a——鉆孔瓦斯流量衰減系數。

將式(2)進行積分可以得到鉆孔瓦斯累計抽采量Qt與時間的關系：

(3)

1.2 抽采半徑與抽采時間的關系

根據質量守恒定律，可以將式(3)轉化為：

(4)

式中：M——煤層原始瓦斯含量，m3/t；

η——煤層瓦斯抽采率，%；

ρ——煤體密度，t/m3;

L——鉆孔煤段長度，m。

將式(4)積分可以得出：

(5)

由于鉆孔半徑與抽采半徑相比很小，即略去二階無窮小，將式(5)簡化為：

(6)

1.3 合理抽采時間的確定

通過擬合式(3)和式(6)分析計算出不同出煤量的累計抽采量和抽采半徑隨時間變化曲線，推導出不同時間的累計抽采量和抽采半徑，根據累計抽采量和抽采半徑的增量，分析合理的抽采時間。

2 水力沖孔鉆孔合理抽采時間現場試驗

本次水力沖孔鉆孔合理抽采時間試驗選擇在中馬村礦27001底抽巷進行。27001工作面標高-128～-90 m，主采二1煤層，煤層厚度1.3～6.3 m，平均煤層厚度4 m，煤層傾角12°。煤層瓦斯含量13.26～36.65 m3/t，瓦斯壓力1.2 MPa，堅固性系數0.3～0.8，煤層透氣性系數1.09 m2/(MPa2·d)。

27001底抽巷距二1煤層17 m。試驗地點共布置3個試驗鉆場，鉆場平行布置，鉆孔垂直巷道施工，每個試驗鉆場布置5個鉆孔，共15個試驗鉆孔，鉆孔設計如圖1所示。

圖1 水力沖孔鉆孔設計圖

鉆孔采用?96 mm鉆頭施工，鉆孔穿過煤層1 m 終孔，退鉆桿進行水力沖孔，鉆孔返清水后，再次退鉆桿，直至進入巖石段，沖孔出煤收集到沉淀池中，進行裝袋測量體積計量。鉆孔沖孔完畢后，進行封孔，抽采管路安裝導流管，前15 d內每天8點班和4點班監測記錄每個鉆孔瓦斯流量和濃度，15 d后每天8點班監測記錄每個瓦斯流量和濃度。

3 現場數據

本文選取1#試驗鉆場作為研究對象，1#試驗鉆場鉆孔參數及水力沖孔出煤量見表1所示。

表1 鉆孔實鉆參數

水力沖孔鉆孔施工完畢后，單孔安裝導流管，并使用光力科技CJZ4Z綜合參數測定儀監測單孔瓦斯濃度和流量，并繪制出1#試驗鉆場5個鉆孔累計瓦斯抽采量變化曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，累計瓦斯抽采量隨抽采時間的增加持續增加，符合指數函數關系，累計抽采量存在極大值。

圖2 實測累計瓦斯抽采量變化取樣

根據實測瓦斯抽采量，擬合式(3)和式(6)，可以推導出每個鉆孔瓦斯抽采量和抽采半徑關于抽采的方程式，推算出單個鉆孔不同抽采時間段的累計瓦斯抽采量和抽采半徑，從而分析確定水力沖孔后的鉆孔合理抽采時間。具體計算步驟以2#鉆孔為例，鉆孔瓦斯累計抽采量和時間的擬合方程為：

Q=1440×0.1043e-0.039t

(7)

根據抽采量指數曲線方程(7)推導出2#鉆孔瓦斯抽采總量為：

(8)

根據方程(8)可以推算出2#鉆孔抽采30 d、60 d、90 d、180 d、270 d、360 d的瓦斯抽采總量，見表2。

以30 d為例，將抽采總量2655 m3帶入式(6)中，根據現場實測出的參數，L=5 m，ρ=1.4 t/m3，π=3.14，M=18 m3/t，η=66.7%代入相關公式中，得出30 d抽采半徑為2.54 m。依次計算出2#鉆孔60 d、90 d、180 d、270 d、360 d抽采半徑，見表2。

表2 2#鉆孔不同抽采時期的抽采半徑

分別將1#、3#、4#、5#鉆孔的瓦斯抽采數據進行處理，計算出30 d、60 d、90 d、180 d、270 d、360 d的累計瓦斯抽采量和抽采半徑，并繪制出累計瓦斯抽采量和抽采半徑隨抽采時間的變化曲線，如圖3和圖4所示。由圖3可知，水力沖孔后鉆孔抽采前90 d，累計瓦斯抽采量隨抽采時間的增加呈指數函數增加；90 d后累計瓦斯抽采量基本穩定，不再增加。這表明抽采時間達到90 d后，水力沖孔后鉆孔控制范圍內的可解吸瓦斯基本運移到鉆孔內被抽出，所以90 d后隨著抽采時間的增加，累計瓦斯抽采量增加量有限。由圖4可知，水力沖孔后鉆孔抽采前90 d，抽采半徑隨抽采時間的持續而增大；90 d后抽采半徑基本穩定，不再增大。這表明抽采半徑不會隨抽采時間增加而無限制的增大，當水力沖孔后鉆孔控制范圍內的瓦斯產出后，鉆孔抽采半徑基本達到極限。